DE2656864C3 - Vorrichtung zur Erfassung der Gewichtsbelastung eines Fußes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Gewichtsbelastung eines Fußes, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher beschrieben ist.

Bei der Therapie von Unter- und Oberschenkelfrakturen sowie nach orthopädischen Operationen ist es häufig erforderlich, daß der Patient den Fuß des behandelten Beines zuerst nur mit einem Teil des Körpergewichtes belastet.

Es sind nun verschiedene Vorrichtung bekannt, um die Gewichtsbelastung des Fußes zu erfassen und beim. Erreichen eines Grenzwertes ein Alarmsignal zu erzeugen. Bekannte Vorrichtungen sind mit Sensoren ausgestattet, die piezoelektrische Kristalle aufweisen. Diese ermöglichen jedoch nur eine Gewichtserfassung bei demjenigen Punkt, bei dem der Kristall angeordnet ist. Damit das Gewicht einigermaßen unabhängig von der Fuß-Stellung gemessen werden kann, müssen daher mehrere piezoelektrische Kristalle vorgesehen werden, die zwischen zwei starren Platten angeordnet werden. Jeder Kristall muß über eine abgeschirmte Leitung mit einem Verstärker verbunden werden. Zur Ermittlung der Gesamtbelastung müssen dann die von einzelnen Kristallen erfaßten Teil-Belastungen mit einer Addierschaltung addiert werden. Derartige Vorrichtungen sind daher verhältnismäßig aufwendig und teuer und die Sensoren lassen sich kaum in einen normalen Schuh einsetzen.

Aus der US-Patentschrift 39 74 491 ist nun eine Vorrichtung mit einem als Schuheinlage ausgebildeten Sensor bekannt Der Sensor weist eine Schicht Schaumstoff auf, an der oben und unten eine etwa aus Leder oder Kunststoff bestehende Folie befestigt ist Die Schaumstoff-Schicht ist mit einem teils schnecken- und teils schlangenlinienförmigsn Kanal versehen, in dem ein elastischer Schlauch angeordnet ist Das eine Ende des Schlauches ist abgeschlossen und das andere Ende ist über einen Verbindungsschlauch mit einer deformierbaren Blase eines außerhalb des Schuhs angeordneten Wächters verbunden. Der letztere weist einen federbelasteten Tasthebel auf, dessen einer Arm an der Blase anliegt und zudem an einem Druckknopf eines Schalters angreift Der Schlauch und die Blase enthalten eine Flüssigkeit, etwa Wasser. Wenn nun der Patient seinen Fuß mit einem bestimmten Gewicht belastet wird der Schlauch im Sensor zusammengedrückt Dadurch wird der Druck in der Blase erhöht, so daß sich diese ausdehnt und den Schalter betätigt, der dann einen elektrischen Summer auslöst Der Summton signalisiert dem Patienten, daß die vorgesehene Belastungsgrenze erreicht ist. Zum Einstellen des Grenzwertes kann mittels einer Stellschraube die Spannung der am Tasthebel angreifenden Feder verstellt werden.

Aus der L¹S-PS 37 02 999 ist weiterhin eine elektrische Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die mit druckabhängig betätigten Schaltern ausgestattet ist und damit die Nachteile biezoelektrischer Vorrichtungen vermeidet Darüber hinaus ist auf den beiden einander entgegengesetzten Seiten der Schicht deformierbaren Materials eine flächenhafte Elektrode angeordnet. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind jedoch die Schalteinrichtungen räumlich getrennt so daß eine bestimmte Gewichtsbelastung des Fußes je nach Stellung entweder einen oder beide Schalter beaufschlagt. Damit ist die Signalgabe und die Erfassung der Gewichtsbelastung aber in nachteiliger Weise von der Fußstellung abhängig.

Die bekannten Vorrichtungen haben darüber hinaus den Nachteil, daß ihre Herstellung verhältnismäßig aufwendig ist und daß sie ziemlich ungenau und störempfindlich arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentar;spruches 1 angegebenen Art mit einem flächenhaften Sensor so auszubilden, daß die Gewichtsbelastung eines Fußes

so annähernd unabhängig von der Fußstellung in einfacher und zuverlässiger Weise erfaßt werden kann, wobei der Sensor wie eine übliche Schuheinlagesohle einlegbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.

Die Schicht aus einem mindestens teilweise elektrisch leitenden Material, dessen Widerstand beim Zusammendrücken abnimmt, kann großflächig über die Sohle verteilt werden, wodurch die Signalgabe von der Stellung des Fußes unabhängig wird.

Das elektrisch leitende Material der Schicht kann relativ hochohmig sein, wie dies bei einem Schaum-Kunststoff oder einem Kunststoff-Vlies oder -Filz, dem bei oder nach der Herstellung eine elektrisch leitende eier halbleitende Substanz beigefügt wurde, der Fall ist. Wenn die aus einem solchen Material bestehende Schicht zusammengedrückt wird, nimmt ihr Widerstand

ab und ihre Leitfähigkeit zu. Der Widerstand der Schicht gibt also ein Maß für die Gewichtsbelastung. Die beiden Elektroden des Sensors können mit einem Wächter verbunden iein, der Schaltungsmittel aufweist, um die Leitfähigkeit zu erfassen und ein Signal zu erzeugen, wenn die Leitfähigkeit einen vorgegebenen, vorzugsweise einstellbaren Grenzwert erreicht

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Beines eines Patienten mit einer Vorrichtung zur Erfassung der Gewichtsbelastung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Sensor und

Fig.3 einen Schnitt entlang der Linie HI-IlI der F i g. 2 durch den Sensor, in größerem Maßstab, sowie das Schaltschema des mit dem Sensor verbundenen Wächters.

In der F i g. 1 ist der untere Teil eines Beines 1 eines Patienten sichtbar, dessen Fuß 2 in einem Schuh 3 steckt Im Schuh ist unterhalb des Fußes 2, d.h. zwischen diesem und der Sohle, ein Sensor 4 angeordnet Der letztere ist durch eine Leitung 5 mit einem Wächter 6 verbunden, der beispielsweise mittels eines Verschiußbandes 7 am Bein 1 befestigt ist

Der Sensor 4 weist wie aus der F i g. 2 ersichtlich, einen ungefähr dem Umriß des Fußes ensprechenden Umriß auf, so daß der Fuß 2 mit der ganzen Fläche auf dem Sensor 4 aufliegt. Der Sensor 4 weist einen Hauptabschnitt 4a und beim zehen- und fersenseitigen Ende einen sichelförmigen Endabschnitt Ab bzw. 4c auf. Die beiden Endabschnitte Ab und 4c hängen über eir.e Schwächungslinie 4rfbzw. 4e mit dem Hauptabschnitt 4a zusammen und können bei dieser vom Hauptabschnitt 4a abgetrennt, etwa abgerissen werden. Die Schwächungslinie kann etwa durch eine Kerbe oder eine Perforation gebildet werden.

Wie die F i g. 3 zeigt, weist der Sensor einen Kern auf, der durch eine flächenhafte Schicht 11 gebildet ist. Diese besteht aus einem deformierbaren Material, beispielsweise aus einem Filz oder Vließ aus Kunststoff-Nadeln oder -Fasern. Die Schicht 11 ist elektrisch leitend, wobei ihre Leitfähigkeit jedoch verhältnismäßig klein und ihr Widerstand dementsprechend relativ hoch ist. Die Schicht 11 kann beispielsweise aus ursprünglich elektrisch isolierenden Fasern aus Polyvinylchlorid, Polystyrol oder einem anderen Kunststoff bestehen, die mit einer Ruß enthaltenden Suspension imprägniert werden. Beim Imprägnieren entsteht auf den ursprünglich isolierenden Fasern ein leitender Kohlenstoff-Überzug. Die Schicht 11 kann statt aus einem Falz-Kunststoff auch aus einem entsprechend behandelten, mindestens an der Oberfläche leitenden Schaum-Kunststoff bestehen. Ferner ist es möglich, dem verwendeten Kunststoff nicht erst nachträglich, sondern schon oci der Herstellung der Fasern, der Nadeln oder des Schaumes eine elektrisch leitenden oder halbleitende Substanz beizufügen.

Für die Bildung der Schicht 11 geeignete, deformierbare und leitende Kunststoffe werden beispielsweise unter der Handelsbezeichnung »Canespa-Tronic« von t>o der Firma Canespa KG in H? r.-:,.^;r>gcn, Bundesrepublik Deutschland, hergestellt. Sie sind an sich als Decken für Arbeitstische und als Bodenteppiche für Arbeitsplätze bestimmt, bei denen elektrostatische Aufladungen vermieden werden müssen.

Auf der oberen und der unteren Seite der Schicht ist je eine flächenhafte Elektrode 12 angeordnet. Die beiden Elektroden 12 bestehen im vorliegenden Fall aus einem gut leitenden Metallgitter, könnten aber auch durch eine Metallfolie gebildet sein. An jede der beiden Elektroden 12 ist ein Leiter 13 eines Kabels 14 angeschlossen. Die Schicht 11 und die beiden Elektroden 1? sind allseitig in eine flexible Kunststoffhülle 15 eingeschlossen, die beim vorderen und hinteren Ende des Sensors 4 über die Schicht 11 und die Elektroden 12 hinausragt und die bereits erwähnten, abtrennbaren Endabschnitte Ab, Ac bildet.

Das andere Ende des Kabels 14 ist lösbar, beispielsweise mittels Steckkontakten 15 mit den Anschlüssen 21 und 22 des Wächters 6 verbundea Der letztere enthält eine einzellige Batterie 23, deren Minuspol mit dem Anschluß 22 verbunden ist Der Wächter 6 enthält ferner zwei Transistoren 24 und 25, dere/> Emitter über einen gemeinsamen Widerstand 26 mit dem Anschluß 22 verbunden sind. Die Basis des Transistors 24 ist mit dem Anschluß 21 verbunden. An die beiden Anschlüsse 21,22 ist ein Elektrolyt-Kondensator 27 angeschlossen. Der Anschluß 21 ist ferner über einen festen Widerstand 28 und einem einstellbaren Widerstand 29 mit dem einen Anschluß 30a eines Schalters 30 verbunden, dessen anderer Anschluß an den Pulspol der Batterie 23 angeschlossen ist. Der Widerstand kann mittels eines in der F i g. 1 ersichtlichen Stellorganes 8, etwa einer geschlitzten Welle, eingestellt werden. Der Kollektor des Transistors 24 ist einerseits über einen Widerstand 31 mit dem Schalteranschluß 30a und andererseits mit der Basis des Transistors 25 verbunden. Der Kollektor des Transistors 25 ist über einen akustischen Signalgeber 32, etwa einem Summer, und einen diesen überbrückenden Elektrolyt-Kondensator 33 mit dem Schalteranschluß 30a verbunden. Die beiden Transistoren 24, 25 bilden zusammen mit den übrigen Schaltelementen einen Schmitt-Trigger.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Vorrichtung erläutert werden. Die Vorrichtung für einen Patienten mit einer Beinfraktur oder einen Patienten bestimmt, der sich einer Operation des Hüftgelenkes oder einer anderen orthopädischen Operation unterziehen mußte. Bei solchen Patienten ist es häufig erforderlich, daß der Patient den Fuß des behandelten Beines zwar belastet, aber nicht mit dem vollen Körpergewicht.

Der Sensor 4 wird nun in der in der Fig. 1 dargestellten Weise in den Schuh 3 des Patienten eingelegt. Der Sensor 4 ist etwa 3 bis 7 mm dick, so daß er wie eine konventionelle Einlagesohle in einem normalen Schuh eingesetzt werden kann. Das Kabel 5 wird neben dem Fuß 2 des Patienten aus dem Schuh 3 herausgeführt und mit dem Wächter 6 verbunden.

Wenn nun der Patient den Fuß 2 belastet, wird der Sensor 4 und damit auch die Schicht 11 zusammengedrückt. Deren Widerstand nimmt dabei ab und die Leitfähigkeit entsprechend zu. Der Widerstand zwischen den beiden Elektroden 12 beträgt ohne Belastung beispielsweise etwa 1 ΜΩ. Bei einer Belastung mit 5 kg beträgt der Widerstand beispielsweise noch etwa lOOkQ und bei einer Belastung mit 50 kg noch etwa 10 kn. Wenn nun der Schalter 30 geschlossen ist und der Widerstand des Sensors 4 unter einen vorgegebenen Grenzwert absinkt, schaltet das Schmitt-Trigger den Signalgeber 32 ein, der dem Patienten akustisch signalisiert, daß der vorgesehene Belastungs-Grenzwert erreicht oder überschritten ist. Die Schaltung des Wächters 6 ist so ausgelegt, daß der Schmitt-Trigger eine gewisse Hysterese aufweist. Das heißt, daß das akustische Signal erst wieder verschwindet, wenn die

Fußbelastung um einen bestimmten Differenzbetrag kleiner ist, als der Grenzwert, bei dem der Signalgeber eingeschaltet wird. Allfällige durch in der Nähe befindliche elektrische Apparate und Leitungen verursachte Störsignale werden durch den Kondensator 27 unterdrückt.

Der Belastungs-Grenzwert kann im Verlaufe des Heilungsprozesses sukzessive gemäß den Anordnungen des Arztes erhöht werden. Dazu braucht lediglich der Widerstand 29 mittels des Stellorgans 8 entsprechend verstellt zu werden. Der gewünschte Grenzwert kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, daß der Patient mit dem Schuh 3 auf eine Waage steht und den Fuß so stark belastet, daß die Waage das dem einzustellenden Grenzwert entsprechende Gewicht anzeigt. Nun kann der Widerstand 29 verstellt werden, bis der Wächter anspricht.

Selbstverständlich kann die Vorrichtung auch bei der Herstellung geeicht und mit einer Skala versehen werden, so daß direkt der Belastungs-Grenzwert eingestellt werden kann.

Versuche haben gezeigt, daß der Widerstand des Sensors 4 nur geringfügig von der Druckverteilung abhängig ist. Das heißt, daß der Wächter 6 unabhängig von der Fuß-Stellung immer bei mindestens annähernd dem gleichen Belastungswert anspricht Es sei noch vermerkt, daß zur Erreichung dieser Eigenschaft die Leitfähigkeit der Elektroden 12 im Vergleich zu derjenigen der Schicht 11 natürlich wesentlich größer sein muß als diejenige der Schicht 11.

Die Vorrichtung kann mit geringen Kosten hergestellt werden. Im übrigen ermöglichen die abtrennbaren Endabschnitte 4b, 4c, die Länge des Sensors zu verkürzen und innerhalb gewisser Grenzen an die Länge des Schuhs anzupassen, so daß der gleiche Sensor für verschiedene Schuhgrößen verwendbar ist Der Sensor muß daher nur in einer geringen Anzahl verschiedener Größen hergestellt werden.
Da der Sensor 4 lösbar mit dem Wächter 6 verbunden ist, kann der gleiche Wächter von verschiedenen, etwa nacheinander in einem Spital behandelten Patienten verwendet werden. Der Sensor wird dagegen aus hygienischen Gründen jeweils ersetzt.

ίο Die Vorrichtung kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden. Beispielsweise muß natürlich der Wächter 6 nicht unbedingt am Bein des Patienten befestigt, sondern kann von diesem in der Tasche eines Kleidungsstückes mitgetragen werden. Ferner kann natürlich die Schaltung des Wächters in mancher Weise modifiziert werden. Beispielsweise könnte er mit einem Oszillator ausgerüstet werden, der nach dem Überschreiten des Belastungs-Grenzwertes einen Ton erzeugt dessen Frequenz von der Größe der Belastung

abhängig ist.

Ferner könnte für die medizinische Beurteilung ein Schrittzähler vorgesehen werden, der die bei jedem Schritt erfolgenden Maximalbelastungen zählt und eventuell nach ihrer Größe klassiert.

Ferner kann auch der Sensor in verschiedener Hinsicht geändert werden. Beispielsweise kann er für Patienten, deren Fuß mit einem Fußgips und einem auf dessen Unterseite vorstehenden Gehbügel versehen ist, so verkleinert werden, daß er auf der Unterseite des Gehbügels Platz findet und befestigt werden kann.

Ferner könnte die leitende Schicht 11 durch eine elektrisch isolierende, deformierbare Schicht ersetzt werden. Der Wächter wäre dann mit Schaltungsmitteln zum Erfassen von Kapazitätsänderungen auszustatten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erfassung der Gewichtsbelastung eines Fußes mit einem unterhalb des Fußes anzuordnenden bestimmten, eine Schicht eines deformierbaren Materials aufweisenden Sensor, wobei auf den beiden einander entgegengesetzten Seiten der Schicht eine flächenhafte Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (11) aus einem mindestens teilweise elektrisch leitenden Material besteht, dessen Widerstand beim Zusammendrücken abnimmt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (11) aus einem Kunststoff-Filz oder -Vlies besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (11) aus einem Schaum-Kunststoff besteht

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (12) über eine Leitung (5) mit einem Wächter (6) verbunden sind, der ein einstellbares Stellorgan (8), einen Signalgeber (32) und weitere Schaltmittel aufweist, um ein Signal zu erzeugen, wenn die Gewichtsbelastung des Fußes (2) einen Grenzwert erreicht und daß der Sensor (4), die Leitung (5) und der Wächter (6) derart ausgebildet sind, daß der Sensor (4) in einem Schuh (3) und der Wächter (6) außerhalb des Schuhes angeordnet ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wächter (6) Schaltungsmittel aufweist um ein Signal zu erzeugen, wenn der Widerstand des Sensors auf einen Grenzwert absinkt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrißform der Schicht (11) und jeder Elektrode (12) ungefähr der Grundrißform eines menschlichen Fußes entspricht.